Комплексная переработка вегетативной части тополя бальзамического с получением биологически активных продуктов

Таблица 17. Состав хлороформового экстракта воска почек тополя бальзамического

Флавоноиды почек тополя бальзамического

К числу веществ, обладающих высокой физиологической и биологической активностью относятся флавоноиды, являющиеся наиболее многочисленной группой природных фенольных соединений. О содержании флавоноидов и динамике его изменения в ходе годового цикла можно судить по результатам, приведенным на рисунке 5.

Рисунок 5. Содержание флавоноидов в почках тополя бальзамического

Для данной группы веществ характерно наличие двух максимумов: зимнего и весеннего. Изменения в содержании флавоноидов, вероятно, обусловлены тем, что входя в состав фенольных соединений, они играют важную роль в обмене веществ. Общее количество флавоноидов в исследуемых нами почках тополя бальзамического занимает промежуточное положение между тополями Самарской области (около 35 %) и Северного Казахстана (1,96%) (Браславский В.Б., 1990; Поляков В.В., 1999). Результаты исследования состава флавоноидов, выполненные, методом ВЭЖХ, представлены на рисунках 6, 7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а - 290нм; б - 326 нм

Рисунок 6. ВЭЖХ-хроматограмма этилацетатного экстракта почек тополя бальзамического

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7. Фрагмент ВЭЖХ-хроматограммы этилацетатного экстракта почек тополя в интервале 15.5-18.5 мин ( 290, 326 нм) и УФ-спектры основных идентифицированных соединений

Количество идентифицированных фенольных соединений в почках тополя: 1 - 3,4-дигидро-2`,6`-дигидрокси-4`-метоксихалкон, 0,65 %, 2 - пиноцембрин, 0,15 %, 3 - пинобаксин, 0,53 %, 4 - хризин, 0,21 %, 5 - галангин, 0,05 %, 6 - 2`,6`-дигидрокси-4`-метоксихалкон, 1,96 %, 7 - пиностробин, 0,17 %,8 - тектохризин, 0,13 %. Также обнаружены коричные кислоты и их производводные (0,56 % от а.с.с.).

При сопоставлении полученных результатов с литературными данными, установлено, что по количественному и качественному составу флавоноиды тополя бальзамического, произрастающие в разных регионах, значительно отличаются. Почки тополя бальзамического, произрастающего в Красноярске, содержат меньше пиностробина и больше халконов, по сравнению с аналогичным видом тополя европейской части России.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сказать, что вегетативная часть тополя бальзамического богата экстрактивными веществами. Они могут служить источником биологически активных соединений, таких как липиды, флавоноиды, эфирные масла, воска. Высокое содержание сесквитерпеноидов и флавоноидов, обладающих антимикробными, противовоспалительными свойствами, обуславливает возможную область использования как индивидуальных групп соединений, так и спиртовых экстрактов.

Заготовку вегетативной части тополя рекомендуется проводить с октября по апрель. Сырье, заготовленное с октября по февраль целесообразно использовать для получения спиртового экстракта и воска, с февраля по апрель - эфирных масел, спиртового экстракта и воска.

Влияние температуры и продолжительности хранения сырья на содержание экстрактивных веществ в почках тополя бальзамического

При исследовании эфирных масел были разработаны рекомендации по заготовке и хранению сырья. Для установления соответствия этих рекомендаций в отношении почек, как сырья для извлечения спирторастворимых веществ, были проведены дополнительные исследования, результаты которых представлены в таблице 18.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при отрицательных температурах сырье также можно хранить без существенного снижения его качества достаточно продолжительное время (около четырех недель). При положительных значениях температуры рекомендуемый срок хранения - не более двух недель.

Оптимизация процесса экстракции почек тополя бальзамического

При решении задачи практического использования экстрактивных веществ возникает необходимость определения условий их максимального извлечения, определение которых для почек тополя проводили с использованием математических методов планирования эксперимента. Оптимизацию процесса осуществляли с использованием плана второго порядка - плана Бокса.

Основными факторами, характеризующими состав экстракционной системы, являются: концентрация (Х₁, %) и температура (Х₂, ⁰С) экстрагента, продолжительность процесса экстракции (Х₃, ч). В качестве откликов было выбрано содержание экстрактивных веществ У₁,%, суммарных липидов У₂,%, флавоноидов У₃,%, и восков У₄,%_.

Таблица 18. Содержание отдельных компонентов почек тополя при хранении сырья в различных условиях, в процентах от а.с.с.

Задачу определения оптимальных условий экстракционного процесса извлечения смеси природных соединений и отдельных их групп, извлекаемых из почек тополя, решали при 66?Х₁?94; 40?Х₂?70; 1?Х₃?5. Процесс экстракции осуществляли при атмосферном давлении и соотношении сухого сырья к экстрагенту 1:20.

На основании результатов реализации матрицы планирования эксперимента были получены уравнения регрессии и методом сканирования определен оптимальный режим проведения экстракции почек тополя.

Уравнения регрессии в кодированном виде имели следующий вид:

У₁ = 39,52+2,95х₁+8,84х₂+4,82х₃-4,59х₂²-2,61х₃²+0,44х₁х₃+2,62х₂х₃; (3)

У₂ = 28,54+3,49х₁+6,59х₂+3,92х₃-2,96х₂²-1,66х₃²+0,28х₁х₂+0,56х₁х₃+

+1,88х₂х₃; (4)

У₃ =7,41+1,37х₁+0,76х₂-0,34х₃-1,31х₁²-0,79х₂²+0,41х₃²+0,23х₁х₂-

-0,11х₁х₃-0,16х₂х₃; (5)

У₄ = 1,70+0,09х₁+0,38х₂+0,17х₃+0,21х₁²-0,26х₂²-0,22х₃²+0,02х₁х₂+

+0,07х₂х₃. (6)

Полученные математические модели адекватны при доверительной вероятности 95 %.

Графическая интерпретация зависимости выхода экстрактивных веществ от изучаемых технологических факторов показана на рисунке 8.

Выход, % от а.с.с.

Рисунок 8. Влияние условий экстракции на выход экстрактивных веществ из почек тополя

Наиболее существенное влияние на выход оказывает температура и продолжительность процесса.

Оптимальные значения параметров для максимального извлечения экстрактивных веществ следующие: концентрация этанола 94 %, температура 70 ⁰С, продолжительность экстракции 5 ч.

В оптимальном режиме был получен экстракт со следующими значениями выходных параметров: У₁=49,5 %, У₂= 38,8 %, У₃=7,2 %, У₄=2,1 %, что составляет около 96 % от теоретического.

Исследование состава и свойств спиртового экстракта и эфирных масел вегетативной части тополя

Для выбора эффективного метода извлечения экстрактивных веществ необходимо знать не только выход, но и фракционный состав экстракта. Это позволит оценить возможные выходы групп веществ и определить последующие технологические решения.

Из почек тополя в спиртовый экстракт переходит от 35 до 45 % сухих веществ. При использовании в качестве сырья вегетативной части тополя он будет содержать от 18 до 30 % веществ. При выдерживании спиртового экстракта на холоде из него выпадают воскообразные вещества. Фракционирование веществ, содержащихся в спиртовом экстракте, проводили после его осветления, используя растворители с различной полярностью.

Установлено, что основной вклад в экстрактивные вещества вегетативной части тополя бальзамического вносят компоненты, извлекаемые диэтиловым эфиром. Содержание этой группы веществ в спиртовых экстрактах почек составляет 72-78 %, побегов с почками 52- 66 % от спирторастворимых веществ. Количество веществ, растворяющихся в петролейном эфире, составляет 3-5 % в почках, в побегах с почками оно в два раза выше. Доля веществ, переходящих в этилацетат, в вегетативной части выше, чем в почках. Она максимальна в январе (11,6 %), в почках тополя - в апреле (8,8 %). Доля бутанолрастворимых веществ в почках тополя снижается с февраля (9 %) по апрель (6 %), в побегах с почками, наоборот, возрастает и составляет 10,5 %. Вегетативная часть тополя характеризуется более высоким содержанием водорастворимых веществ. На их долю приходится от 13 % (ноябрь) до 19 % веществ экстракта (апрель).

Более подробное исследование состава фракций спиртового экстракта проведено на примере апрельской пробы почек тополя бальзамического. Установлено, что из экстракта почек в петролейный эфир переходит около 5 % спирторастворимых веществ. Основными компонентами являются моно- и сесквитерпеноиды, не содержащие в своей структуре кислород (65 % и более от веществ, извлекаемых петролейным эфиром), н-алканы (С₂₃-С₂₉), жирные кислоты (пальмитиновая, олеиновая и линолевая), частично пигменты (3,0 мг% каротиноидов, 9,7 мг% зеленых пигментов) и другие вещества.

Наибольшее количество веществ из этанольного экстракта почек тополя извлекается диэтиловым эфиром - 72 %, что сопоставимо с почками березы повислой. В состав нейтральных веществ входят преимущественно нейтральные кислородсодержащие соединения, среди которых основное место занимают классы сложных эфиров и спиртов. Сложные эфиры экстракта представлены несколькими группами соединений: моно-, ди-, триацилглицеролов (58 % от суммы веществ, растворимых в диэтиловом эфире), эфиры стеринов (эргостерилацетат), ацетаты спиртов.

Состав компонентов диэтилового экстракта изучен методом ГХ-МС. Результаты представлены в таблице 19.

Таблица 19. Состав компонентов эфирного экстракта почек тополя, в процентах от суммы веществ экстракта

В таблице 20 представлены результаты исследования этилацетатного экстракта методом ГХ-МС.

Таблица 20. Состав компонентов этилацетатного экстракта почек тополя, в процентах суммы веществ экстракта

Как свидетельствуют результаты исследования, этилацетатный экстракт более чем на 50 % представлен кислородсодержащими соединениями. Среди не содержащих кислород соединений основными являются углеводороды от С₂₅ и выше.

В применяемые для разделения органические растворители переходит до 93 % веществ, экстрагируемых из почек тополя бальзамического этанолом. Остальное количество веществ, входящих в состав спиртовых экстрактов, как показали наши исследования, состоит из углеводов: свободные моносахариды (0,12 %), сахароза (0,42 %) и более трудногидролизуемых дисахаридов (1,79 % а.с.с.).

Кроме исследования состава экстрактов с использованием растворителей с возрастающей полярностью, было определено содержание отдельных групп веществ экстракта из вегетативной части тополя. Результаты приведены в таблице 21.

Таблица 21. Содержание отдельных групп веществ в спиртовом экстракте вегетативной части тополя, в процентах от а.с.с.

Следует отметить, что при использовании в качестве сырья побегов тополя с почками, в оптимальных условиях проведения процесса экстракции содержание веществ, переходящих в спиртовый экстракт, несколько ниже, чем из почек, но основную долю также составляют нейтральные вещества.

В составе экстрактивных веществ вегетативной части тополя, отобранной с ноября по февраль, выше содержание воскообразных веществ (8-9 %) и флавоноидов (19-23 %), чем в период вегетации тополя, где выше доля липидов.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что основной группой соединений спиртового экстракта являются нейтральные вещества, более 60 % которых составляют ацилглицеролы, эфиры стеринов. В составе спиртового экстракта обнаружены также сесквитерпеноиды и флавоноиды - вещества, обладающие антимикробным действием.

При разделении спиртовых экстрактов из почек и побегов с почками тополя бальзамического можно получать фракции с преимущественным содержанием отдельных групп веществ, таких как липидный концентрат, фенольные вещества, на основе которых могут быть получены лекарственные формы различной направленности и косметические препараты.

Биологическая активность экстрактов и эфирных масел

Исследование препаратов природного происхождения вызывает особый интерес в связи с их выраженной биологической активностью. Большинство исследований имеет фармакологическую направленность, тогда как возможно использование эфирных масел и растительных экстрактов для защиты растений от многочисленных возбудителей болезней, в том числе, грибов рода Fusarium.

Поскольку летучие компоненты и флавоноиды почек тополя бальзамичес-кого Красноярского края имеют отличительные особенности компонентного состава от тополей других регионов, нами была исследована биологическая активность эфирного масла и спиртового экстракта.

Рисунок 13. Влияние экстрактивных веществ на скорость роста микроскопических грибов рода Fusarium

Полученные результаты (рисунок 13) свидетельствуют о том, что эфирное масло и спиртовой экстракт из почек тополя бальзамического, проявляют антифунгальную активность в отношении фитопатогенных штаммов грибов рода Fusarium. Это проявляется в снижении скорости роста и изменении морфологических особенностей мицелия, а также уменьшении показателей конидиегенеза. Установлено, что среди компонентов экстракта наибольшей антифунгальной активностью обладают вещества, входящие в состав петролейного и диэтилового экстрактов. Изученные соединения растительного происхождения, могут оказаться перспективными антимикотиками.

Установлено бактерицидное действие спиртового экстракта в отношении Staphylococcus aureus, St. haemoliticus, St. caseoliticus, бактериостатическое - в отношении St. aldiconicus. Эфирное масло обладает бактериостатическим действием по отношению ко всем исследованным штаммам Staphylococcus, что согласуются с данными других авторов.

Получены обнадеживающие результаты по иммуномодулирующей активности эфирного масла вегетативной части тополя бальзамического, проведенные на полиморфноядерных нейтрофилах крови здорового человека.

Таким образом, и эфирное масло и спиртовой экстракт вегетативной части тополя бальзамического, могут быть перспективны как для получения лекарственных препаратов, так и препаратов для защиты растений.

Углекислотная экстракция вегетативной части тополя

Поскольку вегетативная часть тополя бальзамического богата биологически активными веществами, нами в работе изучена возможность применения сжиженного диоксида углерода в качестве экстрагента, позволяющего извлекать их в нативном виде.

Состав углекислотного экстракта вегетативной части тополя был исследован методом ГХ-МС, результаты приведены в таблице 22.

Установлено, что при углекислотной экстракции в экстракт переходит до 13 % эфирных масел (или 0,76 % от а.с.с.) и 4 % веществ, извлекаемых этанолом. Общий выход экстрактивных веществ составляет 2 %. Среди компонентов экстракта присутствуют сескви - (57,3 %) и монотерпеноиды (15,3 %), витамин С и вещества, обладающие F-витаминной активностью (2,8 %). Диоксид углерода обладает разной экстрагирующей способностью по отношению к индивидуальным летучим компонентам вегетативной части тополя.

Таблица 22. Состав компонентов углекислотного экстракта вегетативной части тополя бальзамического, в процентах от суммы сухих веществ

Такие компоненты как в-куркумен, 3-метилбутен-3-ил-2-метилбутаноат и пренил тиглат экстрагируются полностью. Пренилметилбутаноат более чем на 70 %, гумулен, кариофиллен и 2-фенилэтил-2-метилбутаноат на 60 % переходят в СО₂-экстракт. Эвдесмол и бизаболол экстрагируются диоксидом углерода только на 10-20 % от общего их содержания в вегетативной части тополя. Полученные результаты говорят о целесообразности использования СО₂-экстракции для выделения биологически активных веществ из вегетативной части тополя.

Изучение химического состава послеэкстракционного остатка показало, что он может быть использован для получения БАВ (жирных кислот, ацилглицеролов, стеринов, эфирных масел) или в качестве субстрата. Углекислотная экстракция может рассматриваться как одна из стадий предварительной переработки сырья.

Утилизация твердых и жидких отходов, образующихся при переработке вегетативной части тополя

Изложенные в данном разделе результаты позволяют определить основные направления использования отходов, образующихся при переработке вегетативной части в практически ценные продукты и решить вопрос рационального и комплексного использования биомассы тополя.

Ферментация твердого остатка вегетативной части тополя грибами рода Trichoderma. В настоящее время является актуальной проблема поиска доступного и дешевого сырья для промышленной биотехнологии, с помощью которой можно получать различные препараты, в том числе для защиты растений. Опираясь на результаты исследования химического состава, вегетативную часть тополя бальзамического после извлечения из нее биологически активных веществ можно отнести к числу перспективных субстратов для культивирования грибов.

Для биодеструкции в качестве субстратов использовали твердый остаток почек тополя после: отгонки эфирных масел методом гидродистилляции (субстрат I); удаления эфирных масел и извлечения этиловым спиртом экстрактивных веществ (II); извлечения в оптимальных условиях этиловым спиртом экстрактивных веществ (субстрат III); и вегетативную часть тополя после исчерпывающего извлечения этиловым спиртом экстрактивных веществ (IV); посевного материала - суспензию пропагул штамма МГ-97 Tr. aspirellum (из расчета 110⁶ КОЕ/г). В результате культивирования установлено, что максимальное количество колониеобразующих единиц (КОЕ) на субстрате I наблюдался на 20-е сутки (2,510⁸ КОЕ/г), субстрате II на 15-е сутки (4,310⁹ КОЕ/г), что в 1,5 раза выше, чем на субстратах III и IV. Дальнейшее увеличение продолжительности культивирования не приводило к значительному увеличению содержания КОЕ.

Результаты, свидетельствующие об изменении химического состава субстратов в процессе биоконверсии, приведены на примере субстратов I и II (таблица 23).

Результаты показывают, что культивирование штамма «МГ-97» приводит к изменению содержания всех компонентов субстратов. В процессе биодеструкции накапливается до 6-11 % гуминовых веществ. Убыль массы субстратов достигла 30 %. В зависимости от назначения препаратов продолжительность культивирования можно варьировать: для получения биопрепарата типа «Триходермин» сельскохозяйственного назначения до 15-ти суток, более - для гумификации почвы. Включение кубовой жидкости на стадии увлажнения субстрата дополнительно обогащает его минеральными соединениями и углеводами, позволяет получить в течение 15-ти суток биопрепарат с более высоким титром спор (5,110⁹ КОЕ/г), дает возможность замкнуть цикл водопотребления и сделать технологию переработки вегетативной части тополя безотходной.

Таблица 23. Химический состав субстратов I и II после биодеструкции, в процентах от а.с.с.

Получение белковых кормовых добавок на основе гидролизатов вегетативной части тополя бальзамического. Высокое содержание полисахаридов в после экстракционом остатке вегетативной части тополя (48-62 %) дало основание рекомендовать данное сырье для переработки методом гидролитической деструкции с целью дальнейшей биохимической переработки гидролизата. В работе применяли высокотемпературный кислотный гидролиз, который проводили в ампулах при температуре 170 ⁰С в течение 2 ч, концентрация серной кислоты 1 %, гидромодуль 10. В этих условиях содержание редуцирующих веществ составило 2-2,5 %, бромируемых веществ 0,2 %, что свидетельствует о биологической доброкачественности гидролизатов. Проведено культивирование производственного штамма дрожжей рода Candida scotti, предоставленного нам ЗАО «Биоэтанол», по режимам, принятым на данном предприятии. Прирост биомассы за 48 ч составил 280 %. Выход дрожжей от РВ по абсолютно сухим дрожжам - 58 %, что соответствует заводскому показателю.

Твердый остаток вегетативной части тополя после выделения эфирных масел по количеству питательных веществ, представляющих кормовую ценность, близок к «Хвойной кормовой муке» (ТУ 477-15-147-80), содержит: сырой протеин (6,6 %), клетчатку (17,6 %), каротин (31,2 мг/кг), кальций (6,24 мг/кг), фосфор (089 мг/кг); перевариваемость-34,4 %, что позволяет рекомендовать его в качестве кормовой добавки.

Таким образом, показано, что вегетативная часть тополя бальзамического может быть использована в качестве сырья для получения белковых кормовых добавок.

Использование вегетативной части тополя в качестве топлива. На сегодняшний день тема применения альтернативного традиционным видам топлива актуальна, к числу которых может быть отнесена и биомасса тополя.

Элементный состав послеэкстракционного остатка вегетативной части тополя: С - 50 % , Н - 7 %, О - 40 %, N - 2 %, зольность менее 3 %. Прессование остатка осуществляли на прессе «АГС-50» в одноместной пресс-форме при температуре 140-145 ^оС, давлении 1,01 МПа и без добавления связующего. Продолжительность прессования 10-15 мин. Теплотворную способность определяли методом дериватографии.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что высшая теплотворная способность побегов и почек тополя (21,6 МДж/кг) в 1,2 раза превосходит таковую стандарта (опилки осины). По химическому составу и теплотворной способности послеэкстрационый остаток вегетативной части тополя можно отнести к твердому углеродному топливу, обогащенному кислородом, наряду с такими «классическими» энергоносителями как древесина (18,34 МДж/кг) и торф (22,83 МДж/кг), и рекомендовать к использованию в производстве топливных гранул.

Концепция комплексной переработки биомассы тополя

Проведенные нами исследования показали возможность глубокой переработки биомассы тополя и вторичного сырья на ее основе с получением биологически активных веществ в одном химико-технологическом процессе, выстроенном в зависимости от необходимости получения требуемых целевых продуктов. Важнейшей составляющей данного процесса являются: определение вида тополя, как растительного сырья, химический состав, а также экономическая целесообразность использования его в качестве источника биологически активных веществ.

Глубокая переработка биомассы тополя, отвечающая современным технико-экономическим и экологическим требованиям, базируется на развитии научных знаний в области химии растительного сырья, позволяющих эффективно использовать в качестве сырья вегетативную часть дерева и получить в едином технологическом потоке максимальное количество товарных продуктов; расширении областей практического использования биологически активных веществ; разработке малоотходных и экологичных технологий, приводящих к снижению инвестиционных затрат на создание промышленных производств.

Сырьевой базой производства могут служить отходы, образующиеся при ежегодных обрезках тополей (как дикорастущих, так и культивируемых видов) и идущие в настоящее время в отвал. Кроме того, благодаря быстроте роста (годовой прирост тополевых насаждений составляет 15-25 м³/га, оборот рубки 20 лет) и скороспелости, возможна успешная организация тополевых плантаций. В нашей стране имеется опыт по созданию сырьевой базы из насаждений плантационного типа быстрорастущих видов тополей, что свидетельствует о хозяйственной целесообразности их искусственного разведения. Предусматривается прижизненное использование тополя.

Переработку растительного сырья с получением биологически активных веществ можно вести по двум вариантам. Выбор варианта зависит от используемого сырья, точнее от времени его заготовки, и его количества. Первый вариант предусматривает комплексную переработку вегетативной части тополя с получением гаммы продуктов (эфирных масел, спиртовых экстрактов, восков и биопрепаратов). Следует отметить, что он может быть осуществлен в двух модификациях, отличающихся только числом стадий переработки и ассортиментом продуктов. По одной предусмотрена отдувка эфирных масел, по другой нет. Разработанная технология может быть реализована на действующих лесохимических производствах. Второй вариант предусматривает переработку сырья, получаемого в результате весенней обрезки деревьев в период с февраля по апрель, когда в нем велико содержание эфирных масел, с получение летучих компонентов паровой отгонкой и кормовой добавки или биопрепарата типа «Триходермин».

Разработка технологии и технико-экономические показатели комплексной переработки вегетативной части тополя бальзамического

Как указывалось выше, переработку сырья с получением биологически активных веществ можно вести по двум вариантам.

Первый вариант. Технология предусматривает выделение из вегетативной части тополя бальзамического эфирных масел паровой отгонкой, экстракцию сырья этиловым спиртом, отделение восков и утилизацию после экстракционного остатка с получением биопрепарата типа «Триходермин». Принципиальная схема производства приведена на рисунке 14.

Сырье измельчается 1 и подается в экстрактор 2. Процесс паровой отгонки эфирного масла осуществляется острым водяным паром, который подают снизу. Пройдя через измельченное сырье, он вместе с извлекаемым эфирным маслом поступает в конденсатор-холодильник 3. Конденсат далее идет во флорентину 4. Масло декантируется и поступает в сборник готовой продукции 5. Флорентинная вода направляется в паровой котел. Образовавшаяся в экстракторе кубовая жидкость поступает в сборник 6 и далее используется в процессе биоконверсии. После извлечения эфирных масел твердый остаток подвергается экстрагированию этиловым спиртом пульсационным батарейно-противоточным методом. Свежий растворитель насосом закачивается в верхнюю часть хвостового экстрактора 2. Спиртовый экстракт с концентрацией сухих веществ 5-8 % отбирается из головного экстрактора и поступает в вымораживатель 7 для отделения восков. Осветленный экстракт идет в сборник 8. Воск-сырец после дополнительной промывки отправляют на упаковку. Осветленный спиртовый экстракт подается в перегонный куб 9, где происходит отгонка растворителя. Сконденсировавшийся этанол 11, собирается в сборнике 12 и далее возвращается в экстракционное отделение. Сконцентрированный экстракт поступает в сборник готовой продукции 10. Твердый остаток после экстракции далее используется в качестве субстрата для получения биопрепарата методом поверхностного культивирования.

Субстрат после стерилизации и охлаждаения вместе с посевным матери-алом поступает в растильно-конвейерную установку типа 4Г-КСК. По окончании процесса ферментации масса, высушенная до влажности 8 %, выгружается, дополнительно измельчается и поступает на фасовку и упаковку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - измельчитель; 2 - экстрактор; 3, 11 - конденсатор-холодильник; 4- флорентина; 5 - сборник эфирного масла; 6 - сборник кубовой жидкости; 7 - вымораживатель; 8 - промежуточный сборник спиртового экстракта; 9 - перегонный куб; 10 - сборник спиртового экстракта; 12 - сборник этанола

Рисунок 14. Схема переработки вегетативной части тополя

На получаемые по предлагаемой технологии продукты разработаны технические условия. В соответствии с требованиями ТУ 2457-012-02067907-99 «Тополевое масло» эфирное масло должно иметь с₂₀ не более 0,98 г/см³ и n_D²⁰ 1,48 - 1,50; содержать не менее 70 % сесквитерпеноидов. «Экстракт этанольный из почек тополя бальзамического» ТУ 2455-030-02097907-2007 должен иметь с₂₀ не более 0,93-0,95 г/см³ и содержать экстрактивных веществ 4-6 %, липидов - 3,2-5,6 %, флавоноидов 0,3-0,5 %.

Тополевое масло и спиртовый экстракт обладает ценными ароматическими, противомикробными и лечебными свойствами, в связи с чем, может использоваться в производстве парфюмерно-косметических и фармацевтических препаратов и товаров бытовой химии.

Биопрепарат типа «Триходермин» имеет следующие показатели: влажность 8-10 %, титр спор 3?10⁹ КОЕ/г, содержание гуминовых веществ 6,8 %. Приведенные расчеты показывают, что комплексная переработка вегетативной части тополя бальзамического экономически выгодна и целесообразна.

Технологические решения, выработанные на основании исследований, приведенных в данной работе, защищены патентом и послужили основой для разработки исходных данных по проектированию технологической линии и организации производства эфирного масла и спиртового экстракта из вегетативной части тополя бальзамического, которые переданы ОАО «Лесосибирский КЭЗ». При переработке 100 т сырья выпуск продукции в натуральном исчислении составит: эфирное масло-3,0 т, спиртовый экстракт-40 т, воск-1,5 т, биопрепарат -30 т. Рентабельность производства 20 %, срок окупаемости -1,8 г.

Второй вариант. Технология состоит из двух основных узлов: получение летучих компонентов паровой отгонкой и переработка твердого остатка с получение кормовой добавки, или культивирование грибов рода Trichoderma с получением препаратов различного назначения. Данный вариант технологии позволяет получать из вегетативной части тополя два товарных продукта: с 1 т сырья влажностью 50 % в среднем получится 17-18 кг тополевого эфирного масла и до 420 - 440 кг биопрепарата.

Создание производства по второму варианту возможно непосредственно при тресте зеленого строительства муниципального образования, который проводит обрезку тополей. Это позволит не только решить проблему утилизации обрезков тополей, но и даст новый источник дохода при относительно малых капитальных вложениях. При переработке 1 т сырья, рентабельность производства составит 21%, срок окупаемости -1,5 г.

Выводы

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований химического состава и свойств биомассы тополя разработана научная концепция управляемой ресурсосберегающей технологии переработки вегетативной части, позволяющей в едином технологическом процессе выделить из сырья экстрактивные вещества, обладающие биологической активностью, и переработать остаток с получением ценных товарных продуктов.

2. Впервые установлены закономерности изменения химического состава почек и побегов тополя, связанные с внутривидовой изменчивостью, местом произрастания и фазой развития растения. Показано, что вегетативная часть тополя, произрастающего на территории Средней Сибири, может быть использована как сырье для получения эфирных масел, липидного концентрата, восков и других биологически активных веществ.

3. Установлены особенности химического состава тополя бальзамического, произрастающего на территории Красноярского края и Хакасии. Показано, что он отличается от тополей данного вида других регионов более высоким содержанием эфирных масел и меньшим флавоноидов. Отличительной особенностью эфирных масел является высокое (до 90 %) содержание сесквитерпеноидов, с преобладанием эвдесмола и бизаболола (35-52 %), наличие 2-фенилэтил-2-метилбутаноата (до 17 %) и небензоидного ароматического углеводорода аромадендрена; а также флавоноидов - меньшее содержание пиностробина и большее халконов.

4. Установлено влияние вида тополя и места произрастания на состав липидов. Показано, что для разного вида тополей региона характерно высокое содержание гликолипидов, а также наличие веществ, обладающих А, F и Р - витаминной активностью. Впервые из вегетативной части тополя бальзамического выделены и охарактеризованы воскообразные вещества.

5. Варьированием параметров паровой отгонки летучих компонентов (крупности сырья и продолжительности процесса) и процесса экстракции (температуры, продолжительности экстрагирования, концентрации этанола, жидкостного модуля) найдены оптимальные условия, обеспечивающие высокий выход эфирных масел и спиртового экстракта с заранее заданными физико-химическими свойствами.

7. Изучена биологическая активность эфирных масел, спиртового экстракта и отдельных групп экстрактивных веществ из вегетативной части тополя бальзамического, произрастающего в Красноярском крае. Установлено, что и эфирное масло и спиртовой экстракт проявляют антифунгальную активность в отношении фитопатогенных штаммов грибов рода Fusarium, бактериостатическое и бактерицидное действие по отношению к бактериям рода Staphylococcus и могут быть перспективны как для получения лекарственных препаратов, так и препаратов для защиты растений.

8. Показана возможность утилизации лигноуглеводного остатка методом биоконверсии. Установлено влияние воздействия ферментативного комплекса грибов рода Trichoderma на лигноуглеводный комплекс вегетативной части тополя. В зависимости от назначения препаратов продолжительность культивирования можно варьировать: для получения биопрепарата типа «Триходермин» сельскохозяйственного назначения до 15-ти суток, более - для гумификации почвы. Включение кубовой жидкости на стадии увлажнения субстрата позволяет получить биопрепарат с более высоким титром спор (5,110⁹ КОЕ/г), дает возможность замкнуть цикл водопотребления и сделать технологию переработки вегетативной части тополя безотходной.

9. Впервые получен СО₂-экстракт из вегетативной части тополя. Установлено, что экстрагент обладает селективностью по отношению к углеводородам, сложным эфирам и спиртам и извлекает из сырья до 13 % эфирных масел и 4 % веществ, извлекаемых этанолом.

10. Разработана технологическая схема комплексной переработки вегетативной части тополя, предусматривающая прижизненное использование тополя. Получены опытные партии продукции и проведено их испытание. Разработана нормативная документация. Исходные данные для проектирования производства по переработке вегетативной части тополя бальзамического с получением эфирных масел, спиртового экстракта, восков и биорпрепарата переданы в ОАО «Лесосибирский канифольно-экстракционный завод». Рентабельность производства 20%, срок окупаемости -1,8 г.

Основные работы

1. Исаева, Е.В. Содержание арахидоновой кислоты в почках Populus balsa-mifera в ходе годового цикла / Е.В. Исаева, Э.Д. Левин // Химия природных соединений. - 1987. - № 4. - С. 513-516.

2. Исаева, Е.В. Исследование эфирных масел Populus balzamifera / Е.В. Исаева, Т.М. Подольская //Лесной журнал. - 1997. - № 4. - С. 58-62.

3. Исаева, Е.В. Биоконверсия твердого остатка вегетативной части тополя и топинамбура / Е.В. Исаева, Т.В. Рязанова, Н.А. Чупрова // Химия растительного сырья.- 2002. - № 2. - С. 149-150.

4. Исаева, Е.В. Влияние некоторых факторов на выход и состав легколетучих компонентов почек тополя / Е.В. Исаева // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - 2005. - Т. 48, вып. 8. - С. 124-127.

5. Исаева, Е.В. Групповой состав углеводов почек тополя // Е.В. Исаева, Т.В. Рязанова / Химия растительного сырья. - 2006. - № 1. - С. 33-36.

6. Исаева, Е.В. К вопросу о комплексном использовании вегетативной части тополя / Е.В. Исаева, Т.М. Бурдейная, Г.А. Рейсер.// Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - 2007.-Т. 50, вып. 6. - С. 53-56.

7. Исаева, Е.В. СО₂-экстракция вегетативной части тополя бальзамического / Е.В. Исаева, Г.А. Ложкина, Т.В. Рязанова // Вестник КрасГАУ. - 2006. - № 13. - С. 173-178.

8. Исаева, Е.В. Ферментация вегетативной части тополя грибами рода Trichoderma / Е.В. Исаева, Г.А. Ложкина, Т.В. Рязанова // Вестник КрасГАУ.-2006. - № 16. - С. 219-222.

9. Исаева, Е.В. Влияние различных факторов на процесс экстракции почек тополя бальзамического / Е.В. Исаева, Г.А. Ложкина, Т.В. Рязанова // Химия растительного сырья. - 2007. - № 2. - С. 51-54.

10. Исаева, Е.В. Хромато-масс-спектрометрическое исследование летучих компонентов вегетативной части тополя бальзамического / Е.В. Исаева [и др.] // Химия растительного сырья. - 2008. - № 1. - С. 63-66.

11. Исаева, Е.В. Биологическая активность экстрактов и эфирных масел почек тополя бальзамического Красноярского края / Е.В. Исаева [и др.] // Химия растительного сырья. - 2008. - № 1. - С. 67-72.

12. Исаева, Е.В. Флавоноиды почек тополя бальзамического (Populus balzamifera L.), произрастающего в Красноярске. Ч. 1. Флавоноиды этилацетатного экстракта почек тополя бальзамического / Е.В. Исаева [и др.] // Химия растительного сырья. - 2008. - № 2. - С. 47-53.

13. Isaeva, E.V. Arachidonic acid and prostaglandin in buds of Populus balzamifera / E.V. Isaeva, E.D. Levin, V.E. Cherepanova // Phytochemistry. - 1990. - V. 29. - N 7. - P. 2325-2326.

14. Патент № 2322501 Российская Федерация С12Р 1/02,С11В, 1/10,С11С 1/00,С09F 1/00. Способ комплексной переработки вегетативной части тополя бальзамического / Г.А. Ложкина, Исаева Е.В. - Заявка 32006124142, приоритет от 5.07.06. Опубл...